TA15 异形环件不同位置组织性能对比研究

TA15 钛合金属于近α 型中强度钛合金，其名义成分为Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr。该合金比TC4 钛合金室温强度略高，且高温性能优异，同时具有良好的热加工性能，可以制成形材、厚板、锻件等，在航天领域主要用于制造运载火箭的压力容器、部分卫星结构零部件以及战略导弹弹体中要求强度高、热强性好的零部件。本文选用TA15 合金开展异形环件的研究和试制工作，拟提供一种高性能的结构件用异形环材，同时研究自由锻造异形锻件的成形工艺特点，探索在热变形中不同变形条件对成形性能的影响，达到优化工艺、保证产品质量的目的。

试验材料及方法

试验选材

试验选用的材料为宝鸡钛业股份有限公司生产的经过3 次VAR 熔炼的TA15 钛合金铸锭，其锭型尺寸为

910mm，主要化学成分范围见表1，合金相变点为990℃±5℃。

试验方法

试验选用设备为80/100MN(10000t)油压快锻机、3150t 水压机和D53K-3000A 轧环机，采用先开坯锻造制坯，然后使用轧环机辗轧壁厚均匀的环坯，最后用压机整形的方法进行异形环锻件的试制。显微组织和力学组织取样位置如图1 所示。其中显微组织试样为15mm×15mm，力学性能试样为15mm×15mm×80mm，室温冲击韧性试样开口类型为“U”口。显微组织检测设备为Axiovery 200 MAT光学显微镜，室温拉伸性能检测设备为Instron 5885电子万能材料试验机，室温冲击韧性检测设备为JNS-300 摆锤式冲击试验机。

结果与讨论

曲率大点和曲率小点锻件组织对比

图2(a)、(b)分别为异形环曲率小点和曲率大点的锻件低倍组织形貌。可以看出，两处的锻件低倍均无夹杂、裂纹等冶金缺陷，无明显粗大晶粒形貌，流线分布完整、合理。

通过对比两处的显微组织可以看出，不同位置均为双态组织，且两处显微形貌较为一致，由初生α相＋次生α 相＋β 相组成，表现出良好的均匀性。进一步比较可以发现，锻件曲率大的位置处的初生α 相比例略微高于曲率小点处，且初生α 相比曲率小点处球化程度更高。综合考虑锻件在α ＋β 相区塑性变形时不同位置的变形情况，可知在整形火次，曲率小点处上下接触锤头，属于变形死区；相较而言，曲率大点部位的变形量更大，应变速率大，温降快导致变形温度低，因此初生α 含量较曲率小点部位多些，等轴化程度高。

曲率大点和曲率小点锻件性能对比

图6、图7分别是断裂韧性、冲击韧性的变化曲线，可以看出，部位(a)处断裂韧性、冲击韧性均略微高于(b)处。结合图2，相较部位(b)处，部位(a)处原始β 晶界和次生片层α 集束更多，裂纹在片层组织中的扩展路径更曲折，导致裂纹总的长度增加，需要消耗更多的能量，因此曲率小点处的断裂韧性更高。

图5 为500℃抗拉强度变化曲线。可以看出，曲率小点处高温抗拉强度略高于曲率大点处。这是因为在500℃高温下，滑移是TA15 钛合金最主要的变形方式，此时等轴α 相含量与次生α 相片层厚度对高温抗拉强度有更显著的影响。曲率小点处等轴α 相少，次生片层α 相较多，且片层α 相厚度小，增多的晶界对滑移产生强烈的阻碍作用，因此高温抗拉强度略高。

冲击加载在缺口周围产生塑性变形，反映了材料的缺口敏感性。曲率大点处的裂纹主要沿块状初生α 晶界扩展，裂纹主要沿着初生α 晶界进行，需要消耗的能量相对少；曲率小点处，裂纹穿过片层状次生α 晶粒内部，在相应的断裂时裂纹要穿过初生α相内部，消耗能量多，因此冲击功高，冲击韧性也高。

为了验证该异形环上不同位置的性能均匀性，分别从图1(a)、(b)处取样，试样代表了不同部位的锻件力学性能。图3、图4 分别为TA15 钛合金异形环锻件不同取样部位的室温抗拉强度和塑性变化曲线。从图中可以看出，锻件不同部位整体室温拉伸性能一致性较好，说明锻件组织均匀性较好。进一步比较，曲率大点处的室温抗拉强度略微高于曲率小点处，塑性也较曲率小点处略高，尤其是断面收缩率。这是因为锻件在变形过程中会发生动态再结晶，再结晶是由扩散机制主导的热激活过程，曲率大点处应变速率低，有利于再结晶，同时变形量大，使得再结晶等轴化程度高，因此室温抗拉强度高。同时，(a)处有相对多的片层状的α 相束，由于相界较多会对滑移产生强烈的阻碍作用，导致位错难以穿过α/β 相界面，在相界面处产生应力集中，试样过早地进入屈服阶段，而(b)部位晶粒球化更完全，等轴状的α 相有利于滑移的开动，塑性更优异。

2.1.3 严重程度。调查发现的20种病害中，9种病害达严重危害级别，分别是光叶紫花苕斑枯病、叶斑病、白粉病；黑麦草锈病、镰孢枯萎病、离孺孢叶枯病；玉米大斑病、小斑病和锈病。其余9种病害为危害级别。

综合比较上述性能可以看出，锻件不同位置处拉伸性能、冲击性能和断裂韧性一致性较好，说明锻件的组织均匀性较好。相比而言，曲率小点处除室温抗拉强度略低以外，室温断面收缩率、高温抗拉强度、冲击性能和断裂韧度均略高于曲率较大处。以上这些热工艺特点，有助于更好地评价异形锻件的整体性能情况，从曲率最大最薄弱环节取样，测试性能满足标准要求，则锻件均能达到使用要求条件。

根据设计要求，在最低服役温度下，焊缝、热影响区冲击吸收能量平均值不低于54J才能满足要求。由试验结果可知，焊缝和热影响区的冲击吸收能量均满足要求，而自动焊的冲击吸收能量更高，能够满足更高的要求。

式中第一项反映了混凝土的抗劈裂承载力，第二项反映了混凝土榫的抗剪承载力，第三项则反映了贯穿钢筋对混凝土的约束作用.对试验数据和公式结果进行对比，结果见表2.

结论

(1)锻件的显微组织为双态组织，由初生α 相+次生α 相+β 相组成，锻件整体塑性流线分布好，整体表现出良好的均匀性。

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(2)曲率大点处，变形量大，应变速率高，等轴初生α 相比例略高，室温抗拉强度、断面收缩率有所提高；曲率较小点处，次生片层状α 相比例略高，450℃高温拉伸性能及冲击韧性和断裂韧性略高。